一种可分层的三轴实验尾矿料装样装置

本发明涉及一种可分层的三轴实验尾矿料装样装置，属于矿山岩土工程技术领域。

背景技术：

尾矿库是矿山的重大危险源，是高势能“人造泥石流”源体。近年来随着选矿工艺的提高，尾矿粒径越来越细，而且我国地震活动十分活跃，所以地震带区域上的尾矿库稳定问题备受关注。而目前大多数对尾矿库安全系数的研究还主要停留在由单一尾矿料组成的尾矿库上，对多层尾矿料组成的尾矿库力学特征研究较少，更缺乏对不同倾角的多层尾矿库稳定性的研究，通过本发明可解决不同倾角的多层尾矿料的装样问题，为深入研究多层尾矿料组成的尾矿库的力学特征提供条件。

以尾矿库中最常见的堆坝材料——尾矿砂和尾粉土等尾矿料作为主要研究对象，采用动三轴试验或静三轴实验对它们在不同压力下条件的影响力学特性。但在以往的三轴试验装样过程中，由于试样密度不均、橡胶薄膜与筒壁存在气泡等多种原因导致实验数据误差较大，也不能真实模拟实际尾矿库中不同尾矿料的分层情况下的力学特征。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种可分层的三轴实验尾矿料装样装置，该装置可满足在装样时对不同尾矿料做出分层并调整分层面上特定倾角，并在装样时通过振动台振动使得特定倾角的分层试样更加均匀成型，同时在装置侧边添加抽气装置，使得橡皮模紧贴装样圆筒，减小由于人工装样所造成的误差。并在加料机下部添加尾矿料预处理盒，以方便完成不同实验下的装要求样任务。

本发明采用的技术方案是：一种可分层的三轴实验尾矿料装样装置，包括加料装置、真空抽气装置、装样圆筒、试样分层装置、振动装样装置、仪器控制装置；

所述加料装置包括搅拌扇24、重量显示屏23、加料筒壁25、加料装样盘22、加料装样盘开关21、加料漏斗26、加料机ⅰ1、加料机ⅱ49；

所述装样圆筒包括旋转连接轴承柱45、装样圆筒壁31、抽气孔槽46、筒壁固定槽14、组合固定装置；

所述试样分层装置包括伸缩臂固定装置2、电动伸缩臂4、电动角度旋转装置5、磁性吸盘27、凹形磁铁圆盘6、圆盘软性橡胶包边28；

所述振动装样装置包括装样圆筒12、橡胶薄膜29、装样圆筒壁31、细橡皮筋53、尾砂料ⅰ30、分层水溶膜32、圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15、透水石35、装样底座16、电动振动装置17、次振动弹簧51、振动底座18；

所述仪器控制装置包括装置金属外壳3、仪器总电源36、仪器总开关13、电源数据控制线37、装置主机52、振动装样移动台38、移动导轨39、仪器数据显示屏19、总操纵台20、底座滑轮40；

加料机ⅰ1、加料机ⅱ49分别固定在装置金属外壳3顶部的两侧且其上端均安装有加料装样盘22，加料装样盘开关21分别安装在加料装样盘22左侧并与加料装样盘22的底板转动连接，搅拌扇24安装在加料机ⅰ1、加料机ⅱ49内部且位于加料装样盘22的正下方，加料装样盘22内部装有重量感应器并能及时称量加料装样盘22上尾矿料的重量，重量感应器与重量显示屏23连接，搅拌扇24和重量显示屏23均与装置主机52连接，其开关均由总操纵台20操纵，加料漏斗26分别安装在加料机ⅰ1、加料机ⅱ49的底部；

两个半圆形装样圆筒壁31的一端由一根旋转连接轴承柱45所连接旋转，两个半圆形装样圆筒壁31的另一端通过组合固定装置连接在一起或分开，装样圆筒壁31一侧边上部安装抽气孔槽46，抽气时抽气孔槽46与真空抽气装置连接，装样圆筒壁31两侧外壁安装两组筒壁固定槽14；

伸缩臂固定装置2固定在装置金属外壳3顶板下端，伸缩臂固定装置2下面连接电动伸缩臂4，电动伸缩臂4下面连接有电动角度旋转装置5，电动伸缩臂4与电动角度旋转装置5均与装置主机52连接，并由总操纵台20操纵，电动角度旋转装置5外围安装了磁性吸盘27，磁性吸盘27通过其自身磁性可固定不同型号的凹形磁铁圆盘6，凹形磁铁圆盘6外围套上对应的圆盘软性橡胶包边28，圆盘软性橡胶包边28底部设有分层水溶膜32；

振动底座18上方安装有电动振动装置17和次振动弹簧51，电动振动装置17的电源与装置主机52相连接，其开关设在总操纵台20上，电动振动装置17和次振动弹簧51上部连接装样底座16，装样圆筒12安装在装样底座16上方，透水石35安装在装样圆筒12内部底端，装样圆筒12内壁套有橡胶薄膜29，圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15的下部分别安装在装样底座16的两侧，上部夹在筒壁固定槽14上；

振动底座18安装在装置主机52上端，两根移动导轨39安装在装置金属外壳3内壁下侧并穿过振动装样移动台38，振动装样移动台38底部安装有底座滑轮40，装置主机52及总操纵台20安装在振动装样移动台38上部，仪器总电源36安装在装置金属外壳3侧面上，并通过电源数据控制线37与装置主机52相连，装置主机52与总操纵台20相连接。

具体地，所述真空抽气装置包括装样筒抽气塞7、抽气针管8、平行移动臂9、电动抽气活塞10、电动抽气活塞滑轨11、抽气活塞橡胶垫50；上下两块电动抽气活塞滑轨11固定在装置金属外壳3上，电动抽气活塞10两侧安装平行移动臂9，平行移动臂9一头连接电动抽气活塞10，另一头固定在抽气针管8上，电动抽气活塞10外表面附着一层抽气活塞橡胶垫50，电动抽气活塞10与装置主机52连接，其工作开关由总操纵台20操纵，装样筒抽气塞7左侧连接抽气针管8，右侧连接抽气孔槽46。

具体地，装样圆筒12的内径等于透水石35的直径，装样圆筒12的外径等于装样底座16的直径。

优选地，圆盘软性橡胶包边28周围涂抹凡士林。

优选地，圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15与筒壁固定槽14之间通过固定锁开关33实现打开与锁住。

具体地，组合固定装置包括安装在其中一个半圆形装样圆筒壁31端部的螺栓固定槽ⅰ42、螺栓固定槽ⅱ44及安装在另一个半圆形装样圆筒壁31端部的固定板ⅰ47、固定板ⅱ48，固定螺栓ⅰ41依次穿过螺栓固定槽ⅰ42、固定板ⅰ47上的螺栓孔后将二者连接在一起，固定螺栓ⅱ43依次穿过螺栓固定槽ⅱ44、固定板ⅱ48上的螺栓孔后将二者连接在一起。

具体地，当分层倾角为60°时，凹形磁铁圆盘6和圆盘软性橡胶包边28组成的分层装置为短轴:长轴为1:2的椭圆形；当分层倾角为45°时，凹形磁铁圆盘6和圆盘软性橡胶包边28组成的分层装置为短轴:长轴为1:1.41的椭圆形；当分层倾角为30°时，凹形磁铁圆盘6和圆盘软性橡胶包边28组成的分层装置为短轴:长轴为1:1.15的椭圆形。

优选地，搅拌扇24搅拌轴的两端固定在加料机ⅰ1、加料机ⅱ49的加料筒壁25的内壁上。

本发明的有益成果是：

(1)本装置能够用于对不同尾矿料进行分层装样；

(2)本装置对不同尾矿料分层装样时可调节其分层坡面倾角；

(3)本装置添加真空抽气装置，使得橡皮模紧贴装样圆筒，减小由于人工装样所造成的误差；

(4)本装置在装样时通过振动台振动使装取的试样更易均匀成型；

(5)本装置在加料装样盘上可直接称取试样质量，并在下部添加尾矿料预处理盒，方便完成不同实验条件下的装样任务。

(6)本装置能够实现“一机多用”，能够满足不同实验条件下的装样要求，有效提高装样效率，减小实验误差。

附图说明

图1为本发明整理结构示意图；

图2为本发明装样圆筒结构示意图；

图3为本发明加料装置结构示意图；

图4为本发明真空抽气装置的结构示意图

图5为本发明试样分层装置的结构示意图；

图6为本发明在分层坡面倾角分别为60°、45°、30°时试样的多层分界图及对应分层装置形状。

图中各标号为：1-加料机ⅰ，2-伸缩臂固定装置，3-装置金属外壳，4-电动伸缩臂，5-电动角度旋转装置，6-凹形磁铁圆盘，7-装样筒抽气塞，8-抽气针管，9-平行移动臂，10-电动抽气活塞，11-电动抽气活塞滑轨，12-装样圆筒，13-仪器总开关，14-筒壁固定槽，15-圆筒振动固定臂ⅱ，16-装样底座，17-电动振动装置，18-振动底座，19-仪器数据显示屏，20-总操纵台，21-加料装样盘开关，22-加料装样盘，23-重量显示屏，24-搅拌扇，25-加料筒壁，26-加料漏斗，27-磁性吸盘，28-圆盘软性橡胶包边，29-橡胶薄膜，30-尾砂料ⅰ，31-装样圆筒壁，32-分层水溶膜，33-固定锁开关，34-圆筒振动固定臂ⅰ，35-透水石，36-仪器总电源，37-电源数据控制线，38-振动装样移动台，39-移动导轨，40-底座滑轮，41-固定螺栓ⅰ，42-螺栓固定槽ⅰ，43-固定螺栓ⅱ，44-螺栓固定槽ⅱ，45-旋转连接轴承柱，46-抽气孔槽，47-固定板ⅰ，48-固定板ⅱ，49-加料机ⅱ，50-抽气活塞橡胶垫，51-次振动弹簧，52-装置主机，53-细橡皮筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-6所示，一种可分层的三轴实验尾矿料装样装置，包括加料装置、真空抽气装置、装样圆筒、试样分层装置、振动装样装置、仪器控制装置；

所述加料装置包括搅拌扇24、重量显示屏23、加料筒壁25、加料装样盘22、加料装样盘开关21、加料漏斗26、加料机ⅰ1、加料机ⅱ49；

所述装样圆筒包括旋转连接轴承柱45、装样圆筒壁31、抽气孔槽46、筒壁固定槽14、组合固定装置；

所述试样分层装置包括伸缩臂固定装置2、电动伸缩臂4、电动角度旋转装置5、磁性吸盘27、凹形磁铁圆盘6、圆盘软性橡胶包边28；

所述振动装样装置包括装样圆筒12、橡胶薄膜29、装样圆筒壁31、细橡皮筋53、尾砂料ⅰ30、分层水溶膜32、圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15、透水石35、装样底座16、电动振动装置17、次振动弹簧51、振动底座18；

所述仪器控制装置包括装置金属外壳3、仪器总电源36、仪器总开关13、电源数据控制线37、装置主机52、振动装样移动台38、移动导轨39、仪器数据显示屏19、总操纵台20、底座滑轮40；

加料机ⅰ1、加料机ⅱ49分别固定在装置金属外壳3顶部的两侧且其上端均安装有加料装样盘22，加料装样盘开关21分别安装在加料装样盘22左侧并与加料装样盘22的底板转动连接，当加料装样盘开关21打开时，加料装样盘22将旋转一定倾角并把加料装样盘22上的尾矿料完全倒入加料筒壁25中，搅拌扇24安装在加料机ⅰ1、加料机ⅱ49内部且位于加料装样盘22的正下方，搅拌扇24使得实验所需的部分结块尾矿料充分搅拌，尾矿料经搅拌扇24搅拌后流入尾矿料加料筒壁25内，加料装样盘22内部装有重量感应器并能及时称量加料装样盘22上尾矿料的重量，重量感应器与重量显示屏23连接，重量显示屏23能及时显示加料装样盘22中尾矿料重量，将一定质量尾矿料放置于具有称重功能的加料装样盘22上，通过观察重量显示屏23上具体数值，并调整加料装样盘22中的尾矿料质量，以满足不同实验的要求。搅拌扇24和重量显示屏23均与装置主机52连接，其开关均由总操纵台20操纵，加料漏斗26分别安装在加料机ⅰ1、加料机ⅱ49的底部，经搅拌称重后的尾矿料由加料漏斗26下部排出；

两个半圆形装样圆筒壁31的一端由一根旋转连接轴承柱45所连接旋转，两个半圆形装样圆筒壁31的另一端通过组合固定装置连接在一起或分开，装样圆筒壁31一侧边上部安装抽气孔槽46，抽气时抽气孔槽46与真空抽气装置连接，装样圆筒壁31两侧外壁安装两组筒壁固定槽14；

伸缩臂固定装置2固定在装置金属外壳3顶板下端，伸缩臂固定装置2下面连接电动伸缩臂4，电动伸缩臂4可调节分层装置的上下位置，电动伸缩臂4下面连接有电动角度旋转装置5，电动伸缩臂4与电动角度旋转装置5均与装置主机52连接，并由总操纵台20操纵，电动角度旋转装置5外围安装了磁性吸盘27，磁性吸盘27通过其自身磁性可固定不同型号的凹形磁铁圆盘6，凹形磁铁圆盘6外围套上对应的圆盘软性橡胶包边28，圆盘软性橡胶包边28底部设有分层水溶膜32；

根据实验所需的分层倾角，选取特定形状的凹形磁铁圆盘6及圆盘软性橡胶包边28，组合后通过磁性吸盘27自身磁力使其吸在上面，并在圆盘软性橡胶包边28表面涂抹凡士林以减小橡胶薄膜29与试样分层装置之间的摩擦力，并在圆盘软性橡胶包边28的下表面粘上分层水溶膜32，使两种尾矿料在振动时相互不掺杂，使实验数据更加准确。再通过总操纵台20调节试样分层装置中的电动伸缩臂4和电动角度旋转装置5，电动伸缩臂4缓慢向下移动完成分层。

振动底座18上方安装有电动振动装置17和次振动弹簧51，电动振动装置17的电源与装置主机52相连接，其开关设在总操纵台20上，电动振动装置17和次振动弹簧51上部连接装样底座16，装样圆筒12安装在装样底座16上方，透水石35安装在装样圆筒12内部底端，装样圆筒12内壁套有橡胶薄膜29，圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15的下部分别安装在装样底座16的两侧，上部夹在筒壁固定槽14上，以保证振动时装样圆筒12的稳定。

在分层装置中圆盘软性橡胶包边28向下移动之前，先在其底部粘结一层分层水溶膜32，完成分层工作后将分层水溶膜32粘结在尾砂料ⅰ30上部。

振动底座18安装在装置主机52上端，两根移动导轨39安装在装置金属外壳3内壁下侧并穿过振动装样移动台38，振动装样移动台38底部安装有底座滑轮40，装置主机52及总操纵台20安装在振动装样移动台38上部，仪器总电源36安装在装置金属外壳3侧面上，并通过电源数据控制线37与装置主机52相连，装置主机52与总操纵台20相连接。

通过总操纵台20控制搅拌扇24和重量显示屏23开关、电动抽气活塞10开关、试样分层装置、电动振动装置17开关。在装取第二层尾矿料前也应控制总操纵台20，左右移动振动装样移动台38使得对应所需添加的尾矿料所在的加料漏斗26下部对准装样圆筒中间。

进一步地，所述真空抽气装置中上下两块电动抽气活塞滑轨11固定在装置金属外壳3上，电动抽气活塞10两侧安装平行移动臂9，平行移动臂9一头连接电动抽气活塞10，另一头固定在抽气针管8上，使得抽气装置可随试样的移动而移动。电动抽气活塞10外表面附着一层抽气活塞橡胶垫50以保证抽气装置的气密性，另外电动抽气活塞10与装置主机52连接，其工作开关由总操纵台20操纵。装样筒抽气塞7左侧连接抽气针管8，右侧连接抽气孔槽46。

实际操作时，操作总操纵台20打开电动抽气活塞10开关，并将装样筒抽气塞7对准抽气孔槽46以确保真空抽气装置的气密性，确保橡胶薄膜29与装样圆筒壁31中间无气泡，确保实验数据的准确性。

通过总操纵台20打开电动振动装置17开关，利于试样分层装置挤压至其分层界面并达到设定倾角，也可使每层尾矿料更加均匀。在圆盘软性橡胶包边28下表面附着分层水溶膜32，分层后粘在尾砂料ⅰ30的上表面，水溶膜到后面进行动三轴试验水头饱和时会遇水充分溶解，不会对实验数据造成影响，使两种尾矿料在振动时相互不掺杂，使实验数据更加准确。通过总操纵台20调节试样分层装置中的电动伸缩臂4和电动角度旋转装置5，电动伸缩臂4缓慢向下移动完成分层。

进一步地，装样圆筒12的内径等于透水石35的直径，装样圆筒12的外径等于装样底座16的直径。

进一步地，圆盘软性橡胶包边28周围涂抹凡士林。

进一步地，圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15与筒壁固定槽14之间通过固定锁开关33实现打开与锁住。

进一步地，组合固定装置包括安装在其中一个半圆形装样圆筒壁31端部的螺栓固定槽ⅰ42、螺栓固定槽ⅱ44及安装在另一个半圆形装样圆筒壁31端部的固定板ⅰ47、固定板ⅱ48，在装样圆筒12需要闭合进行装样时，手动旋转固定螺栓ⅰ41依次穿过螺栓固定槽ⅰ42、固定板ⅰ47上的螺栓孔后将二者连接在一起，手动旋转螺栓固定槽ⅱ44依次穿过螺栓固定槽ⅱ44、固定板ⅱ48上的螺栓孔后将二者连接在一起。

装样前分别将圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15扣在相应的筒壁固定槽14中，并关紧固定锁开关33以保证在振动时装样圆筒壁31固定位置不动。

进一步地，当分层倾角为60°时，凹形磁铁圆盘6和圆盘软性橡胶包边28组成的分层装置为短轴:长轴为1:2的椭圆形；当分层倾角为45°时，凹形磁铁圆盘6和圆盘软性橡胶包边28组成的分层装置为短轴:长轴为1:1.41的椭圆形；当分层倾角为30°时，凹形磁铁圆盘6和圆盘软性橡胶包边28组成的分层装置为短轴:长轴为1:1.15的椭圆形。

进一步地，搅拌扇24搅拌轴的两端固定在加料机ⅰ1、加料机ⅱ49的加料筒壁25的内壁上。

本发明可分层的三轴实验尾矿料装样装置的工作原理为：

准备一个大小及长短合适的橡胶薄膜29，并保持装样底座16整洁干燥，在套取橡胶薄膜29时，先把透水石35放在装样底座16中间，将橡胶薄膜29下边缘部分放在装样底座16上，再将橡胶薄膜29套在装样圆筒12内。然后将装样圆筒12上固定板与固定螺栓连接固定，整体装样圆筒12放在装样底座16上。

打开仪器总开关13，操作总操纵台20打开电动抽气活塞10开关，并将装样筒抽气塞7对准抽气孔槽46以确保真空抽气装置的气密性，确保橡胶薄膜29与装样圆筒壁31中间无气泡，确保实验数据的准确性。

分别将圆筒振动固定臂ⅰ34、圆筒振动固定臂ⅱ15扣在相应的筒壁固定槽14中，并关紧固定锁开关33以保证在振动时装样圆筒壁31固定位置不动。

根据实验所需的分层倾角，选取特定形状的凹形磁铁圆盘6及圆盘软性橡胶包边28，组合后通过磁性吸盘27自身磁力使其吸在上面，并在圆盘软性橡胶包边28表面涂抹凡士林以减小橡胶薄膜29与试样分层装置之间的摩擦力，并在圆盘软性橡胶包边28的下表面粘上分层水溶膜32，使两种尾矿料在振动时相互不掺杂，使实验数据更加准确。

通过总操纵台20，调整电动角度旋转装置5至预定角度，方便进行特定倾角的分层压实。

将一定质量尾矿料放置于具有称重功能的加料装样盘22上，通过观察重量显示屏23上具体数值，并调整加料装样盘22中的尾矿料质量，以满足不同实验的要求。

通过调节总操纵台20，左右移动振动装样移动台38使对应所需添加的尾矿料所在的加料漏斗26下部对准装样圆筒12。

操作总操纵台20打开尾矿料搅拌扇24，并打开对应加料装样盘开关21，使得实验所需的部分结块尾矿料充分搅拌。尾矿料经搅拌扇24搅拌后流入尾矿料加料筒壁25内，通过加料漏斗26全部尾矿料排入装样装样圆筒12中。

同时通过总操纵台20打开电动振动装置17开关，利于试样分层装置挤压至其分层界面并达到设定倾角，也可使每层尾矿料更加均匀。在圆盘软性橡胶包边28下表面附着分层水溶膜32，分层后粘在尾砂料ⅰ30的上表面，水溶膜到后面进行动三轴试验水头饱和时会遇水充分溶解，不会对实验数据造成影响，使两种尾矿料在振动时相互不掺杂，使实验数据更加准确。

通过总操纵台20调节试样分层装置中的电动伸缩臂4和电动角度旋转装置5，电动伸缩臂4缓慢向下移动完成分层。

第一层尾矿料装料完成后，再通过总操纵台20控制电动伸缩臂4使试样分层装置缓慢上移。在装取第二层尾矿料前应通过总操纵台20左右移动振动装样移动台38使得对应所需添加的尾矿料所在的加料漏斗26下部对准装样圆筒12中间。

重复第一层装尾矿料步骤，完成第二层装样。

若实验要求试样需分三层，应先清理前两次用过的加料机再进行加料装样，避免残留尾矿料对实验造成误差。

装样结束后立即通过总操纵台20关闭电动振动装置17开关，并打开固定在筒壁固定槽14上的固定锁开关33，停止电动抽气活塞10工作，关闭仪器总开关13，并将装样筒抽气塞7与抽气孔槽46缓慢分开，最后将透水石35缓慢移至动三轴实验仪器上，并缓慢扭开固定螺栓与固定板，取下装样圆筒12，至此全部装样工作完成。

本发明在动三轴实验对尾矿库动力特征分析时采用此装样装置可有效避免人工装样所产生的试验误差，还可模拟不同尾矿料进行分层并可调节至特定倾角坡面，并可根据实验要求对尾矿料做相应的预处理，并在装样时通过振动台振动使得所装取的试样更加均匀成型。来提高试验的准确度，增加工作效率。

本装置将实现尾矿料装样的称重、分层、均匀振动和橡胶薄膜抽真空一体化，并支持分层坡面形成不同倾角。有效避免了人工装样所产生的误差，提高了三轴试验时尾矿料的装样效率，并可针对不同工况不同实验要求完成所对应的三轴实验。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。